海洋與人類的commitment

當你和你的愛人伴著婚禮進行曲交換戒指，許下陪伴一生的諾言，在這個時候如果我們預測未來，那麼有很大的概率在未來半個世紀，你和你的愛人將攜手共同度過，這就是commitment（承諾、保證等意思）。當然，人的社會屬性給予了你們反悔的機會，你可以離婚。

今天，小編想和大家聊一聊人類和自然界的commitment：人類過去百年不斷排放溫室氣體，不可逆的改變了大氣成分，2018年大氣中的二氧化碳（CO2）濃度已經跨過410ppm門檻，遠超1850-1990年間280ppm的量。那麼，這些已經在大氣中的過量的溫室氣體是否可以對未來有何意義？是否可預測未來的氣候變化？這就是全球變化commitment相關研究的核心問題。

地表溫度

我們先從地表溫度開始說起。

人類和大量各種動植物生活在地表，地表溫度變化對人類和社會發展有重要意義，也是目前各種氣候變化政策設置的目標變數：比如《巴黎協定》設置的目標是努力把全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內，並努力實現1.5℃控溫目標。那麼，我們就想知道地表溫度對溫室氣體的響應如何：給定的溫室氣體升高何時會造成溫度變化、對應多少溫度上升？

科學家很久以前就發現，地表溫度對溫室氣體變化響應很快（很快的意思是10年內的尺度），基本是實時的響應。這個實時的響應也很好理解：中午太陽大的時候氣溫就高、太陽一落山晚上氣溫就降下來了。原因是大氣和陸地比熱容比較低，存儲不了熱量，所以給定外源刺激的情況下氣溫變化很快。

圖1. 地表溫度（紅色）和海平面變化（綠色）對CO2排放（黑色）的不同響應概念圖。CO2不斷排放使得大氣中累積CO2（藍色線）。圖自IPCC-TAR,2001。

圖1為地表溫度（紅色）和海平面變化（綠色）對CO2排放（黑色）的不同響應概念圖。可以看到隨著CO2排放高時，溫度上升快；排放降低時升溫較慢。這導致大氣中累積的CO2濃度和地表溫度變化有很好的對應關係（藍色和紅色）:當溫室氣體含量穩定時，溫度也維持穩定。

一個更直觀的圖是圖2：地表溫度（縱軸）和累積溫室氣體排放（橫軸）的實時對應關係。不要管圖裡的各種細節，你會發現，二者基本是呈線性關係：大概500Gt的碳排放會對應1℃的平均溫度上升。因為這個圖是統計二者實時的關係，表示排放500Gt碳，就立刻會使得溫度上升1℃。

圖2. 地表溫度（縱軸）和累積溫室氣體（CO2）排放（橫軸）的關係。黑色為過去百年觀測數據，不同顏色的線和圈表示基於氣候模型在不同未來溫室氣體排放情景（不同RCP）下二者的關係。溫度單位是攝氏度（oC），溫度氣體累積排放單位為（GtC：109噸碳，橫軸）圖自IPCC-AR5決策者摘要。

上述「實時響應」導致的一個基本的事實是：過去的排放決定了過去的溫度上升：自工業革命以來的大氣溫室氣體排放使得過去氣溫不斷攀升，累積到現在就使得現在的氣溫達到了1℃的升溫（IPCC1.5℃特別報告）。所以，現在達1℃的升溫「罪魁禍首」主要是發達國家，因為他們過去的排放最多。

而「實時響應」的另一個基本的事實是：未來的溫度變化就主要取決於未來的排放，所以未來要達到《巴黎協定》設置的目標：最多只能再升溫1℃，就必須要求最多只能再有大概1000GtC的碳排放。所以，《巴黎協定》已經限定了未來人類能夠用掉多少化石燃料，排放多少碳！換句話說，《巴黎協定》已經限定了未來人類基於化石燃料的經濟發展量，這也是為什麼人們一般都說氣候變化問題到最後都會變成社會經濟問題。

雖然控制了未來總的溫室氣體排放量,但人類可以控制什麼時候完成給定額度的碳排放：我們可以儘快開始減排，然後緩慢減排（圖3藍色線），只要本世紀累積排放不超過約1000GtC的碳就好。我們也可以維持現在的發展和高溫室氣體排放，到某一個時間迅速減排（圖3紅色線），也可保障本世紀總的碳排放不超過1000GtC。

這就是科學家們提出的不同的未來社會經濟發展路徑，但如何實現、哪些方式最佳依然需要社會經濟學家研究。但迅速的減排對應的是社會經濟的非常快速的轉型，這幾乎是不可以實現的。

科學上有一個概念叫做社會慣性（social inertia），社會變化一定是要緩慢和漸進的:你能想像明年讓所有的工廠全部關掉嗎? 想像明年讓所有的燃油車全部變成電車嗎？這是不現實的。

圖3. 為了達到2℃控溫目標，人類未來可行的的二氧化碳排放路徑（不同顏色的線）。圖自Robbie Andrew，調整自政府間氣候變化專門委員會 1.5度特別報告。

綜上，由於地表溫度的實時的響應，使得其幾乎不存在commitment：未來的變化只取決於未來的排放。但是，過去的變化已經導致了現在1度的升溫，這是另一個概念，叫做「不可逆性」，人類已經通過改變大氣成分，不可逆改變了地球的物理屬性。

海洋

海洋又是另外一個故事：海洋因為其比熱容比較大、且體積很大，其對外源強迫的響應是「滯後和緩慢的」。一個簡單的例子是：夏天海邊的城市氣候比內陸城市舒爽的多，如果你想去海邊游泳，最好的時間是在夏天結束和秋天開始的時候，海溫的最高峰要比氣溫要滯後一些。這就是因為海洋對外部強迫的「滯後響應」的緣故。

再回過頭看圖1的概念圖，隨著CO2排放停止，地表溫度維持穩定，然而海平面依然在不斷上升。這一方面是由於海洋溫度的滯後響應，使得未來海洋溫度的變化依然受到過去溫室氣體排放的影響；另一方面是兩極冰蓋等對溫室氣體的響應也是存在滯後，使得未來冰蓋的融化也受到過去溫室氣體排放的影響。

因為「滯後響應」，一個悲傷的事實是：就算現在人類社會現在實現零碳排放，未來海洋依然會持續變暖、海平面會持續上升。

這是真正的commitment：人類排放溫室氣體，海洋反饋給我們一個世紀的「諾言」，海洋將至少在本世紀不斷變暖、海平面不斷上升。這種持續變化的時間尺度在幾個到十幾個世紀之間，也即是說「短期內不允許離婚」。

圖4.過去（1955年至今）和未來預估（2018-2100年）海洋熱含量變化（海洋上層2000米海水溫度的累積變化）。給出了2個溫室氣體排放情景下的未來海洋變暖預估：RCP2.6為可能達到《巴黎協定》的2度控溫目標（紫色，66%幾率達到2度控溫目標）；RCP8.6為維持高溫室氣體排放（紅色）。圖自Chenget al. 2019。

圖4為未來預估的海洋溫度變化，紫色是人類如果達到《巴黎協定》的2℃控溫目標下海洋溫度的變化（即RCP2.6情景，Cheng et al. 2019）。可以看到，就算地表溫度控制在2℃內，海洋溫度依然不斷攀升，21世紀海洋變暖的總量將是過去60年的3倍。

而如果人類不加控制，維持高溫室氣體排放（即RCP8.5），過去和未來的溫室氣體共同作用在海洋，21世紀海洋變暖總量將是過去60年的6倍！悲傷的是：最近幾年的溫室氣體排放基本是是沿著RCP8.5的路徑走的。

預估的未來的海平面變化在圖5：海平面在未來也將持續上升，相對於現在的水平，RCP2.6情景下2100年平均海平面將上升0.45米，RCP8.5情景下2100年平均海平面將上升0.75米。海平面上升一個原因是海水變暖膨脹，另一個原因是冰川融化使得海洋水量增多。

未來冰川融化預估不確定性更強，因為其變化不是線性的，可能存在突變：一個簡答的例子是如果冰雪附近溫度低於0℃，其處於冰凍狀態；一旦跨過0℃，將會融化。因此，0℃就是冰雪融化一個非線性的「突變點」（tippingpoint）。

人類對海洋和冰雪圈的「突變點」目前還知之甚少，不知道未來是否、或何時會達到這麼一些點，使得全球氣候系統發生質的突變。

圖5.未來預估（2010-2100）海平面變化。給出了2個溫室氣體排放情景下的預估（RCP2.6：藍色；RCP8.5：紅色）。圖自IPCC-AR5決策者摘要。

海洋的「commitment」導致很難把海洋的變化當做制定政策的指標，因為不管何種政策，海洋會在21世紀持續變化、海平面持續上升，這就顯得過於悲觀:不管人類做什麼都於事無補。這就是為什麼《巴黎協定》等將控制氣溫作為政策指標的原因。還記得在2000-2010年的時候，包括Nature在內的很多平台都在討論到底用什麼當政策指標比較好，有人提出了用海洋熱含量，但主要反對意見就是海洋對過去排放的「commitment」，因此是一個不甚清晰的指標。著名的氣候變化博客Real Climate當時專門寫了一個小文（雖然一些討論我現在不贊同）。

綜上,由於過去的溫室氣體排放,海洋和人類已經許下」承諾」,且不可能」離婚」! 誰的責任? 所有人的責任！！給人類的警示是：《巴黎協定》目標只是氣候變化的一個側面（就已經那麼難實現了~），就算達到《巴黎協定》控溫目標，全球變暖的影響和風險依然在持續，人類已經處於需要不斷適應氣候變化的「人類世」！大幕已經拉開！你準備好了嗎？你為你的下一代準備好了嗎？

註：commitment在全球變化中有不同的含義，不同的溫室氣體均有不同的commitment（參考IPCC-1.5℃報告第一章1.2.4）；各個國家對未來減排的計劃等也稱作commitment。本文只講commitment的其中一個含義。

來源：中國科學院大氣物理研究所

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